Мышечное сокращение

Физиологические свойства скелетных мышц:
1) возбудимость ниже, чем у нервных волокон;
2) проводимость низкая (10–13 м/с);
3) фаза рефрактерности длиннее чем у нервного волокна);
4) лабильность низкая;
специфические свойства:
5) сократимость (способность укорачиваться или развивать напряжение).
6) эластичность (способность развивать напряжение при растягивании).

ВИДЫ СОКРАЩЕНИЯ:
изометрическое (длина мышцы не меняется, изменяется лишь напряжение (при фиксированных концах мышцы).
изотоническое (длина мышцы меняется при неизмененном напряжении)
ауксотоническое (меняется длина и напряжение мышцы)

Изометрическое сокращение

Изотоническое сокращение

Ауксотоническое сокращение

Классификация сокращений по выполняемой работе
Концентрический тип: когда внешняя нагрузка меньше, чем развиваемое мышцей напряжение (мышца укорачивается и совершает движение - положительная работа).
Эксцентрический тип: когда внешняя нагрузка больше, чем развиваемое мышцей напряжение (мышца растягивается и совершает отрицательную работу).

Каждая мышца — гетерогенная популяция разных типов МВ. Тип мышцы определяют, исходя из преобладания в ней конкретного типа МВ.
Классифицирующие критерии типов МВ:
характер сокращения,
скорость сокращения,
тип окислительного процесса

По характеру сокращения:
Фазные - осуществляют энергичные сокращения (произвольная мускулатура человека) ,
Тонические - специализированы на поддержание тонусa (позные мышцы, наружные ушные и наружные глазные мышцы)

По скорости сокращения
(определяется типом миозина)
Быстрые - быстрый миозин (высокая активность АТФазы),
Медленные - медленный миозин (меньшая активность АТФазы).

По типу окисления:
Окислительные (красные): источник АТФ - аэробное окисление глюкозы.
Гликолитические (белые): источник АТФ - анаэробное окисление глюкозы.

На практике результаты типирования МВ комбинируют и различают три типа МВ:
1А – медленные неутомляемые (нейроны наименьшей величины, немного миофибрилл, низкая активность миозин-АТФ-азы, низкая скорость выхода Са++ из СПР, много сосудов (на 1 волокно 4-6 капилляров), много митохондрий)
2А – быстрые, устойчивые к утомлению промежуточное положение
2Б – быстрые, легко утомляемые (нейроны самые крупные, много миофибрилл, высокая активность миозин-АТФ-азы, высокая скорость выхода Са++ из СПР, мало сосудов, мало митохондрий).

ДВИГАТЕЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ
-это совокупность мышечных волокон, иннервируемых одним нейроном.
Чем сложнее мышечное движение, тем меньше мышечных волокон в двигательной единице (глаз-13-20, спина-1000).

РЕГУЛЯЦИЯ
СИЛЫ
СОКРАЩЕНИЯ
число активных ДЕ
частота импульсации
синхронизация работы ДЕ

СТРОЕНИЕ
МЫШЦЫ

САРКОМЕР
Анизотропные диски (А)– миозин,
Изотропные диски (I)– без миозина, только актин.
Актиновые нити прикреплены к Z-диску.

Строение саркомера

Саркомер — часть миофибриллы, расположенная между двумя последовательными Z–дисками.
В состоянии покоя и полностью растянутой мышце длина саркомера составляет 2 мкм.
При такой длине саркомера актиновые (тонкие) нити лишь частично перекрывают миозиновые (толстые) нити. Один конец тонкой нити прикреплён к Z-линии, а другой конец направлен к середине сaркомера.
Толстые нити занимают центральную часть сaркомера — А–диск (содержащий только толстые нити участок сaркомера — Н-зона, в середине Н-зоны проходит М-линия).
I–диск входит в состав двух сaркомеров.
Следовательно, каждый сaркомер содержит один А–диск (тёмный) и две половины I–диска (светлого), формула саркомера — 0,5А + I + 0,5А.
Во время сокращения длина A–диска не меняется, а I–диска — укорачивается, что и послужило основанием для создания теории, объясняющей сокращение мышцы механизмом скольжения (теория скольжения) тонких актиновых нитей вдоль толстых миозиновых.

Толстая миофибрилла .
Каждая миозиновая нить состоит из 300–400 молекул миозина и С‑белка.
Каждую миозиновую нить связывает с Z–линией гигантский белок титин.
С толстыми нитями ассоциированы небулин, миомезин, креатинфосфокиназа и другие белки.

СТРОЕНИЕ АКТИНА:
F-актин (фибриллярный белок) – полимер G-актина,
тропомиозин (фибриллярный белок),
тропонин (3 субъеденицы:
С – для связывания с Са++,
Т – для связывания с тропомиозином,
I – для связывания с актином, препятствует взаимодействию актина и миозина в отсутствии Са++

СТРОЕНИЕ МИОЗИНА:
хвост – легкий меромиозин, шейка и головка – тяжелый (скрученные в суперспираль полипептидные цепи).
Длина полимера 1,5 мкм, диаметр – 12 нм.
2 шарнирных участка:
в области соединения тяжёлого и лёгкого меромиозинов,
в области шейки .

ТИТИН И НЕБУЛИН
Титин —3000 кДа— наподобие пружины связывает концы толстых нитей с Z-линией.
Другой гигантский белок — небулин (800 кДа) — ассоциирует тонкие и толстые нити.

Актиновый миофиламент
Имеет длину около 1 мкм и состоит из двойной спирали F-актина в кооперации с двумя нитями тропомиозина и ассоциированных с тонкой нитью и поддерживающих каркас - α-актинина, десмина и небулина.
Актин. Молекулы глобулярного актина (G-актин, М.м. 45000 кД) полимеризуются и образуют фибриллярный актин (F-актин).
Включает регуляторные белки:
Тропомиозин . Молекулы имеют массу 70 000 кД и длину 40 нм, укладываются конец в конец в желобке между двумя спирально закрученными цепочками F-актина. В состоянии покоя молекулы тропомиозина «закрывают» активные участки актиновых нитей и предотвращают взаимодействие актина и миозина.
Тропонины. Комплекс белков прикреплённый к молекулам тропомиозина с интервалом 40 нм. Образован 3 глобулярными субъединицами – тропонинами: Т- связан с тропомиозином, I – препятствует взаимодействию актина и миозина, С – кальций связывающий белок.

Механизм мышечного сокращения

МЕХАНИЗМ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ
ИСТОРИЯ:
1) Гален 2 век – живой дух,
2) линейное сокращение белка,
3) сокращение белковой спирали,
4) современность – теория скольжения нитей

ТЕОРИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ НИТЕЙ
предложена Хью Хаксли

Сокращение мышцы происходит в результате движения актиновой и миозиновой нити относительно друг друга (благодаря присоединению головок миозина к центрам связывания актина).
Для этого процесса необходимо наличие Са2+ и АТФ.

1. Ca2+ связывается с тропонином C,
2. Тропомиозин сдвигается относительно актина,
3. Открывается доступ к центрам связывания актина,
4. Головки миозина присоединяются к активным центрам актина,

5. Головки миозина изменяют свою конформацию, создавая тянущее усилие (за счёт шарнирного участка в области шейки миозина происходит гребковое движение)
6. Тонкие нити начинают скользить между толстыми, продвигаясь к центру сaркомера.

Схема сокращения

7. Затем головка миозина связывается с молекулой АТФ, что приводит к отделению миозина от актина.
8. Последующий гидролиз АТФ восстанавливает конформированную молекулу миозина и готовит её к вступлению в новый цикл.

Электро-механическое сопряжение
- это процесс превращения импульса нервного волокна в сокращение мышцы

Электромеханическое сопряжение

Этапы электромеханического сопряжения
Передача импульса через нервно-мышечный синапс.
Возникновение ВПСП.
Возникновение ПД на околосинаптической мембране.
Проведение ПД вдоль клеточной мембраны и вглубь волокна по трубочкам Т-систем.
Передача возбуждения с Т-трубочек на СПР.

Освобождение Са2+ из СПР и повышение его концентрации в саркоплазме на порядок (от 10-7 до 10-6 М)
Диффузия Са2+ к миофибриллам.
Взаимодействие Са2+ с тропонином С.
Скольжение актиновых и миозиновых нитей.
Сокращение мышцы.
Понижение концентрации Са2+ в саркоплазме за счет работы Са2+-насоса, закачивающего Са2+ в СПР.
Расслабление мышцы.

Каким образом Са2+ выделяется из СПР?

Существует несколько гипотез высвобождения Са2+ из СПР:
1. Волна деполяризации спускается по Т-трубочкам и переходит на СПР благодаря близости её мембраны. Вследствие деполяризации последней происходит открывание Са2+-каналов и освобождение Са2+ из СПР (Зима В.Л. и McDonald P.L.)
В настоящее время эта гипотеза является несостоятельной.

2. Во внешнюю мембрану миоцита встроены потенциалзависимые и/или рецепторуправляемые Са2+-каналы. Небольшое повышение концентрации Са2+ в миоплазме при его входе из внеклеточного пула индуцирует освобождение Са2+ из СПР (Bianchi S.P. и Shanes А.М.)
Данная модель характерна для ГМК и кардиомиоцитов.

3. Высвобождение Са2+ из СПР может индуцироваться инозитол–1,4,5–трифосфатом (ИФ3) – вторичным посредником, выделившимся из внешней мембраны под действием ПД.

4.Гипотеза о прямой морфофункциональной взаимосвязи между дигидропиридиновым рецептором Т-трубочек (Са2+-каналом L-типа) и рианодиновым рецептором СПР (тоже Са2+ канал)
Конформационные изменения одного канала приводят к открытию второго.
Гипотеза получила название механической модели. (R. F. Irvine )
Получила широкое распространение для скелетных мышц

Суммация мышечных сокращений

Одиночное мышечное сокращение
латентный период,
фаза напряжения (укорочения) у быстрых МВ – 7-10 мс, у медленных – 50-100 мс,
фаза расслабления (удлинения) в 2 раза длиннее.
Одиночное волокно подчиняется правилу «все или ничего»,
а мышца – нет.

Соотношение между длительностью ПД и сокращением мышцы

Если частота ПД больше чем длительность сокращения, то происходит явление суммации сокращений - те́танус
Но последующее ПД не должно попадать в фазу рефрактерности!

гладкий тетанус возникает если последующий ПД попадает в фазу укорочения мышцы,
зубчатый тетанус - если в фазу расслабления.

Теории возникновения тетануса
Гельмгольц – тетанус – это механическое сложение одиночных мышечных сокращений,
Введенский – тетанус наступает если каждый последующий импульс раздражения попадает в фазу экзальтации предыдущего ПД,
Бабский – тетанус возникает в результате суммации концентраций Са2+ , выделяющегося из СПР после предыдущего и последующего раздражений.

КОНТРАКТУРА
- обратимое нераспространяющееся стационарное сокращение
Типы контрактур:
Посттетаническая (высокий остаточный Са2+)
Кофеиновая – кофеин проникая внутрь клетки приводит к открытию Са2+-каналов в СПР.
Калиевая – увеличение К+ во внеклеточной среде приводит к стойкой деполяризации и высвобождению Са2+ из СПР

Гладкие мышцы

Физиологические особенности гладких мышц
1) нестабильный мембранный потенциал, который поддерживает мышцы в состоянии постоянного частичного сокращения – тонуса;
2) самопроизвольная автоматическая активность;
3) сокращение в ответ на растяжение;
4) высокая чувствительность к химическим веществам.
5) для сокращения ГМК Са2+ используют не только из СПР, но и из внеклеточной среды.
6) фазы укорочения и расслабления ГМК длятся в среднем от 1 до 3 сек, что в десятки раз продолжительнее сокращения скелетной мышцы.

Морфологические особенности
Актиновые нити прикреплены к плотным тельцам, миозиновые нити формируются только при сокращении.
СПР выражен слабо
В отличие от поперечнополосатой мускулатуры в ГМК вместо тропонина С имеется кальмодулин.
Между клетками щелевые контакты как в электрическом синапсе.

Иннервация
ГМК иннервируют симпатические (адренергические) и отчасти парасимпатические (холинергические) нервные волокна.
Нейромедиаторы диффундируют из варикозных терминальных расширений нервных волокон в межклеточное пространство.

Гуморальная регуляция
В мембрану разных ГМК встроены рецепторы ацетилхолина, гистамина, атриопептина, ангиотензина, адренорецепторы и множество других.
Сокращение ГМК вызывают адреналин, норадреналин, ангиотензин, вазопрессин, действуя на свой рецептор и активируя G‑белок, который в свою очередь активирует фосфолипазу С.
Расслабление ГМК вызывают атриопептин, брадикинин, гистамин, VIP, которые действуют на G‑белок, активирующий аденилатциклазу.
Характер ответа определяют рецепторы.

Са+ в гладкой мышце

Холиномиметики усиливают сокращение
оказывают на мышцу тот же эффект, что и ацетилхолин. Различие заключается в том, что эти вещества не разрушаются ацетилхолинэстеразой или разрушаются более медленно, в течение многих минут и даже часов (метахолин, карбахол и никотин).
инактивируют ацетилхолинэстеразу таким образом, что она теряет способность гидролизовать ацетилхолин, выделяющийся в концевой двигательной пластинке (неостигмин, физостигмин и диизопропилфлуорофосфат).

Кураре и курареподобные препараты широко применяются в анестезиологии.
Тубокурарин препятствует деполяризующему действию ацетилхолина.
Дитилин приводит к миопаралитическому эффекту, вызывая стойкую деполяризацию постсинаптической мембраны.
b- и g-бунгаротоксины блокируют холинорецепторы.
Подавляют нервно-мышечную передачу:

Ботулотоксин и столбнячный токсин блокируют секрецию медиатора из нервных терминалей, подавляя торможение в ЦНС.
Поэтому сокращение становиться бесконтрольным
Действие столбнячного
токсина